【正文】 是他們在我畢業(yè)的最后關頭給了我們巨大的幫助與鼓勵，給了我很多解決問題的思路，在此表示衷心的感激。致 謝四年的大學生活就快走入尾聲，我們的校園生活就要劃上句號，心中是無盡的難舍與眷戀。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設計。本人授權　　 　 　大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。同時，隨著通訊技術的發(fā)展，寬帶的應用越來越受到重視，新的標準相繼提出，通訊產品越來越小型化，物理空間的限制成為系統(tǒng)設計必須考慮的重要因素，因此天線的小型化成為天線設計的又一研究熱點。對線極化微帶天線來說，通?？紤]的電參數(shù)有：方向圖、輸入阻抗和增益。一種在相同條件下減小頻率從而相對減小尺寸的方法也被提出， 這種方法已 應用于圓極化微帶天線。不同的應用選擇不同的變量。加載技術在實現(xiàn)天線的小型化時還可以實現(xiàn)天線的寬頻帶。a 采用傾斜式3D錐形過渡的懸浮貼片b 采用垂直式3D錐形過渡的懸浮貼片 采用3D錐形過渡的寬帶單層貼片天線 電阻性加載技術 引入天線損耗是提高天線阻抗帶寬的一種方法。 當 基 片 厚 度h ，饋電探針的作用更為顯著；當h ，其作用等效于 一 個電感，這個電感與上述并聯(lián)諧振回路相串聯(lián)， 形成天線的輸入阻抗。 阻抗匹配技術實際上這并不屬于微帶天線本身的問題， 而是饋線的匹配問題。還可以選用楔形或階梯形基片。當微帶天線的VSWR一定時 ( 通常為VSWR 2 ) ， 其帶寬和品 質因素成反比， 因此降低天線品質因素Q是改善天線帶寬的根本途徑. 首先，選用厚基片。 對線極化微帶天線來說， 通常考慮的特性參數(shù)是: 方向圖、 增益和阻抗。為改善天線性能，常綜合采用多種方法。利用有源網絡的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線帶寬高低端頻比可達20～30 。選擇適當?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵相位差90176。這類高介質天線的主要缺陷是: (a) 激勵出較強的表面波，表面損耗較大，使增益減小，效率降低。其缺點是: (1) 阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點的距離Δ，往往需要饋電點的精確定位和十分微小的Δ，這給制造公差提出了苛刻要求。然而遺憾的是，在較低頻段(VHF/ UHF) ，傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸仍然太大。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時間步長和空間步長的限制。由此也產生了多種數(shù)值方法，它們各具有一些優(yōu)缺點和適用性，這里我們僅介紹幾種典型的分析方法。因為腔體模型基于一維電小的基本假設（即介質基片的厚度遠小于波長），將微帶貼片與地板之間的空間等效為上下是電壁而四周是磁壁的諧振空腔。因此微帶天線的嚴格分析將是非常復雜的，而通常根據(jù)微帶天線的實際特征做某些方面的假設和近似進而得出分析模型則不失為一種簡單有效的處理手段。共面波導線饋電的形式如圖24（e）所示。電磁場通過在地板上切割的電長度較小的孔徑或槽從微帶饋線耦合到輻射貼片上。對于同軸饋電的情形，探針長度的增加會使得輸入阻抗呈現(xiàn)出更大的感性，這將給天線的匹配帶來問題。其優(yōu)點是同軸線可以根據(jù)天線輸入阻抗的匹配需求而放置在貼片下面的基片中的任何位置。圖（e）可視為共軸排列的微帶縫隙天線，利用共面波導線來饋電。與微帶貼片天線相比，其優(yōu)點是交叉極化電平低。采用等效磁流法來進行近似分析。此外，還可以將微帶振子彎折以構成微帶折合振子從而減小天線的尺寸。 微帶貼片天線具有很多優(yōu)點：分析和設計簡單，可以實現(xiàn)各種極化形式，可以多頻段工作，制作方便，等等。 相信隨著對微帶天線應用可能性認識的提高，以及各種電路系統(tǒng)對天線的小型化集成化要求的提高，微帶天線的優(yōu)點日益凸顯，其應用場合將會繼續(xù)增多。 (7)天線的散射截面較??； (8)稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化(左旋和右旋)。（a）微帶貼片天線 （b）微帶振子天線（c）微帶行波天線 （d）微帶縫隙天線 微帶天線的典型結構 通常介質基片的厚度與波長相比是很小的，因而它實現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線的一類。 本文主要內容本論文主要針對如何實現(xiàn)微帶天線寬頻帶、小型化展開了比較全面的分析研究，同時提出了幾種新型結構的微帶天線設計，全文共分為以下幾個方面：第一章為緒論部分，主要是簡單的介紹了當前微帶天線的是寬頻帶、小型化研究狀況以及存在的問題，在此調研的基礎上提出了自己的研究方向。 國內外研究微帶天線的寬頻帶技術微帶天線的固有缺點就是阻抗頻帶窄，展寬頻帶是最困難也是最富有挑戰(zhàn)性的技術之一，隨著移動通信系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，寬頻帶微帶貼片天線的研究己成為了非常熱門的課題，同時寬帶微帶貼片天線將逐漸向著小型化，簡單化同時具有多功能、多用途的方向發(fā)展。本論文的主要工作就是提出這類天線的一些簡單設計方法。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。因此本文對微帶天線最基本的小型化技術、寬頻帶技術進行了探討、分析和歸納。在設計過程中，采用ANSOFT公司的電磁仿真軟件——Ansoft HFSS，結合寬頻帶的設計方法，提出了一些簡單的微帶天線結構。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 微帶天線簡介早在1953年箔尚(G．A．DcDhamps )教授就提出利用微帶線的輻射來制成微帶微波天線的概念。近年來，人們在微帶貼片天線展寬頻帶方面做了大量的研究微帶天線的寬頻帶技術主要采用以下幾種方法實現(xiàn)。第二章簡單介紹微帶天線的基本理論以及分析方法第三章討論微帶天線小型化、寬頻帶的各種方法，并具體提出了一種小型化方法并附有設計與分析。另外，隨著技術的進步，現(xiàn)在許多手機天線都是采用曲折線型的微帶天線實現(xiàn)了手機天線的小型化。 (9) 微帶天線適合于組合式設計(固體器件，如振蕩器、放大器、混頻器、功分器、移相器、可變衰減器、調制器、開關等可以直接加到天線基片上)； (10)饋線和匹配網絡可以和天線結構同時設計和加工。 微帶天線的結構和分析方法 在對微帶天線有了一個初步的了解之后，接下來我們將對微帶天線的結構和分析方法做一個簡單的介紹。故一般的微帶天線多是這種形式，我們將在第三節(jié)對它進行詳細的介紹。當微帶振子很窄且基片厚度遠小于介質波長或微帶振子的長度等于諧振長度時，我們可以假設微帶振子上的電流滿足余弦分布，從而得到其輻射特性。此時微帶線上不連續(xù)點或彎曲點的輻射用微帶線兩側的磁流來等效，且一般對于微帶線型天線，其微帶線的寬度遠小于波長，因此直微帶線上的寄生輻射可以忽略，且不連續(xù)點或彎曲點處微帶線兩側磁流的輻射可用位于中心線的單個磁流來等效。但由于縫隙本身電抗的影響，其駐波帶寬一般比較窄，且是雙向輻射的，不過這可以通過在介質基片的另一側增加地板來消除背向輻射。圖（f）為微帶線饋電的圓環(huán)縫隙，若縫隙改為長短軸相近的橢圓環(huán)，并合理設置饋電位置，還可以實現(xiàn)在邊射方向上的圓極化輻射。其缺點是需要在介質基片中鉆孔以滿足內導體的連接需求，同時該饋電形式需要一個向地板外面突出的連接器，這就有礙于微帶天線的集成一體化設計，天線整體結構的非對稱性會使得交叉極化相對較大。而對于微帶線饋電，由于特性阻抗的制約，基片厚度的增加會導致微帶線上金屬導帶寬度的增加，這將加劇饋線產生的干擾輻射?？讖酵ǔＮ挥谫N片的正下方，以利用結構的對稱性來抑制交叉極化電平。在這種結構中，共面波導線刻蝕在天線的地板上，由同軸探針激勵，終止處是一個槽。由麥克斯韋方程的不同解法發(fā)展了多種分析微帶天線的解析方法，這里我們主要介紹以下三種模型，它們由于其簡單實用而在規(guī)則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應用。在腔體中，場沿基片厚度方向保持不變，并且它是該等效的二維諧振器中所有諧振模式之和。矩量法分析微帶天線的基本思想是利用并矢格林函數(shù)建立關于微帶貼片和地板上的表面電流的積分方程，然后利用函數(shù)展開法將此積分方程轉化為矩陣方程，利用計算機便可得出近似解。33第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術 微帶天線的小型化技術 概述現(xiàn)代電磁學歷經三百多年的發(fā)展，日臻成熟完善。這樣，實用化小型微帶天線的研制，特別是用作第三代移動通信(3G) 系統(tǒng)、藍牙(Bluetooth) 系統(tǒng)及無線定位系統(tǒng)的天線，成為國內外研究熱點。(2) 帶寬窄。(b) 帶寬窄。的極化簡并模，還可形成圓極化輻射，以及實現(xiàn)雙頻工作。(2) 增益高(可達10dB 以上) ，方向性好。 微帶天線的小型化設計與分析1 .天線設計 基本思想 微帶天線是諧振式天線，微帶貼片的長度大約為介質波長的1 /2. 如果用f表示天線輻射的中心頻率， L 表示微帶貼片的長度，則諧振頻率 （ 1 ） 式(1)中為等效介電常數(shù)， △l為考慮邊緣效應的校正長度. 用w 表示微帶的寬度， h表示微帶的厚度，哈默斯塔德給出△l的經驗公式為 （ 2 ） ，. ，. 可以設想把圖1所示的微帶天線進行折疊(如圖1所示) ，微帶天線的面積將減少到原來的1 /，由于微帶天線常采用正方形結構，因此天線面積減小遠不止1 /2. 折疊后天線的輻射性能是我們關心的主要問題，按照上述思想我們設計了折疊式微帶天線并進行了仿真驗證. 圖 1 折疊微帶天線示意圖 天線結構如圖2所示. 與通常寄生貼片天線不同，上表面( surface)與下表面( Ground)通過側面(Joint)連為一體，三個面形成一種半封閉結構. 天線為三層印刷板，板材選用Rogers TMM4作為介質基片，相對介電常數(shù)為4. 5. 上下表面均為正方形的敷銅面，中間為微帶天線貼片(patch). 同軸饋電，饋電探針與中間層相連. 本設計中，上下兩層基片介質相同，厚度也相同= = 2mm，總厚度4mm. 當然也可以選用厚度不同、材料不同的基片. 中間貼片(patch)為正方形結構，尺度為28mm 28mm，地板的尺度為32mm 32mm，上表面的大小與地板相同. 同軸線的外徑為2. 3mm，探針半徑為1mm，特征阻抗為50Ω. 饋電點與貼片中心點的距離為y = 圖 2 折疊式微帶天線幾何結構2 . 天線仿真 Ansoft HFSS是Ansoft公司開發(fā)的基于有限元的電磁仿真軟件，在微波電路設計中有著非常廣泛的應用. 下面各圖給出了仿真結果. 必須指出，仿真設置為天線的地平面與吸收界面相重合，如果不做如此設置，則天線為雙向輻射，仿真增益會有所下降. 圖3為天線的回波損耗. 在發(fā)射中心頻率點f =，天線的回波損耗達28. 52dB. 圖4為天線的駐波比隨微波頻率的變化， VSWR ≤2 的頻帶寬度為8MHz， %. 顯然，天線頻帶較窄， Q值較高，不太適合對頻帶要求較寬的場合. 如何降低天線的Q值、拓寬頻帶，尚需進行進一步研究。 其中最易受頻率變化影響的是阻抗， 也就是說， 線極化微帶天線頻帶主要受其阻抗帶寬限制。從物理意義上講， 增大基片厚度使頻帶加寬的原因是由于厚 度增加， 輻射電 導也隨 之增大， 從而 輻 射所對應的Q ， 及總的Q ， 值下降。由于兩輻射端口處基板厚度不同，使兩個諧振器經階梯電容禍合產生雙回路現(xiàn)象，從而導致帶寬展寬。 由于線極化微帶天線的工作帶寬主要受到其阻抗帶寬的限制， 因此采用饋線匹配技術就能使天線工作在較寬的頻帶改變阻抗的一種